輕量化： 一個(gè)不輕松的話(huà)題

高振華

談到汽車(chē)輕量化技術(shù)，很多人會(huì)聯(lián)想到偷工減料，事實(shí)真的如此么？

近幾年，汽車(chē)圈一直在探討一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題，就是車(chē)輛的輕量化技術(shù)。那么到底什么是汽車(chē)的輕量化呢？記者先和大家分享一段關(guān)于輕量化的百科知識(shí)：所謂汽車(chē)輕量化，就是在保證汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車(chē)的整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

環(huán)保的需求

先來(lái)看一組權(quán)威數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)證明，汽車(chē)整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升；汽車(chē)重量降低1%，油耗可降低0.7%。當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車(chē)的輕量化已經(jīng)成為世界汽車(chē)發(fā)展的潮流。2011年底，工信部發(fā)布了《工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)投資指南》，在這份指南中，汽車(chē)輕量化產(chǎn)業(yè)也被放在比較突出的位置。

中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)付于武曾表示，汽車(chē)輕量化技術(shù)目前已被眾多汽車(chē)企業(yè)高度認(rèn)同和重視。在全球汽車(chē)領(lǐng)域最頂尖的技術(shù)主要集中在兩個(gè)領(lǐng)域：一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱技術(shù)，另外一個(gè)就是汽車(chē)輕量化技術(shù)。

事實(shí)上，這里所說(shuō)的輕量化當(dāng)然不是指某些廠家為了盈利而不顧消費(fèi)者的生命安全，偷工減料，它是等同于新能源的一項(xiàng)新科技，是未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展方向。在解決節(jié)能與環(huán)保這一汽車(chē)業(yè)最重要的命題時(shí)，當(dāng)前大熱的節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)是一條路徑，另一條路徑則是輕量化技術(shù)——即如何在保證安全性的前提下使汽車(chē)“瘦身”。

輕量化這一概念最先起源于賽車(chē)運(yùn)動(dòng)，它的優(yōu)勢(shì)其實(shí)不難理解，重量輕了，可以帶來(lái)更好的操控性，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的加速度。由于車(chē)輛輕，起步時(shí)加速性能更好，剎車(chē)時(shí)的制動(dòng)距離更短。隨著“節(jié)能環(huán)?！钡膲毫υ絹?lái)越大，輕量化也廣泛應(yīng)用到普通汽車(chē)領(lǐng)域。

業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為，雖然汽車(chē)輕量化已是大勢(shì)所趨，但國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化相關(guān)產(chǎn)業(yè)還未形成較大規(guī)模。畢竟，國(guó)內(nèi)汽車(chē)在輕量化技術(shù)方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在較大差距。例如高端鋁及鋼的使用比例都比國(guó)際先進(jìn)水平低一半，鎂合金使用則差距更大。目前，北美每輛汽車(chē)鎂合金的使用量平均為3.5千克，歐洲先進(jìn)水平則能達(dá)到14千克，而國(guó)產(chǎn)汽車(chē)每輛僅1.5千克。

輕與薄≠不安全

在很多消費(fèi)者眼里，車(chē)身鋼板薄、防撞鋼梁薄就是車(chē)不安全，就是不耐撞，在他們眼里“輕和薄”就代表不安全。正因?yàn)槿绱?，歐系車(chē)、美系車(chē)等重量較重的車(chē)型，一直以安全性在中國(guó)市場(chǎng)著稱(chēng)。而在外觀、配置、油耗等方面極具優(yōu)勢(shì)的日、韓系以及一些自主品牌車(chē)輛，往往給人不夠安全的印象，這其實(shí)是大家的誤區(qū)。

其實(shí)，汽車(chē)重量輕和安全性之間并沒(méi)有本質(zhì)的聯(lián)系。你可能不知道，構(gòu)成汽車(chē)的2萬(wàn)多個(gè)零件中，約86%是金屬材料，且鋼鐵占了約80%，這表明通過(guò)材料的輕量化來(lái)減輕汽車(chē)自重有巨大潛力。目前，鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼、工程塑料和復(fù)合材料等輕質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用在汽車(chē)的輕量化中發(fā)揮了重大作用。

除了鋼材，鋁合金是目前在汽車(chē)上應(yīng)用最多的輕量化材料，從鋁合金車(chē)身到鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，從鋁合金變速箱殼體到鋁合金連桿，鋁合金被大量應(yīng)用。因?yàn)殇X具有良好的機(jī)械性能，其密度約為鋼鐵的三分之一，易加工，導(dǎo)熱性、耐腐蝕性好，鋁合金強(qiáng)度高，同時(shí)具有良好的吸能性。據(jù)美國(guó)鋁學(xué)會(huì)的報(bào)告，汽車(chē)上每使用0.45kg鋁就可減輕車(chē)重1kg，理論上鋁制汽車(chē)可以比鋼制汽車(chē)減重40%左右。因?yàn)殇X合金具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以鋁合金成為在汽車(chē)上使用最多的輕質(zhì)材料。奧迪A8采用ASF全鋁合金車(chē)身，創(chuàng)紀(jì)錄的使用了546kg的鋁合金材料，它的重量要比同等車(chē)型的鋼制車(chē)身輕50%。此外，越來(lái)越多的鋁制輪轂和全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)在各種車(chē)型上，并且逐步替代傳統(tǒng)的鋼制零部件。

當(dāng)然鋁合金的應(yīng)用還面臨一些問(wèn)題，最大的缺點(diǎn)就是焊接工藝性差，成本控制也是關(guān)鍵因素之一。

除了鋁合金的大量應(yīng)用，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用也非常多，它的應(yīng)用可以減少鋼板的設(shè)計(jì)用量和厚度。高強(qiáng)度鋼保留甚至提高了鋼材的優(yōu)點(diǎn)，特別是在安全性方面。與鋁、鎂、復(fù)合材料等相比，高強(qiáng)度鋼板的原料與制造價(jià)格較低，經(jīng)濟(jì)性較好，可以大量取代現(xiàn)在所用的車(chē)用鋼材，支撐起乘員艙結(jié)構(gòu)的鋼材通常使用的都是高強(qiáng)度鋼，甚至屈服強(qiáng)度是高強(qiáng)度鋼兩倍以上的超高強(qiáng)度鋼。不過(guò)，高強(qiáng)度鋼難成形、回彈大等問(wèn)題使得加工比較困難，需對(duì)應(yīng)措施來(lái)解決。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化是軟實(shí)力

是不是減輕了鋼板的厚度、大量應(yīng)用輕量化的鋁合金材料就可以保證車(chē)輛安全高枕無(wú)憂(yōu)了呢？并不是這么回事。想要在減輕車(chē)身重量的情況下又能保證車(chē)輛的安全性，車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化配比至關(guān)重要。

中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)專(zhuān)家陳一龍認(rèn)為，汽車(chē)輕量化技術(shù)并非僅僅依靠材料，汽車(chē)輕量化是設(shè)計(jì)、制造、材料技術(shù)集成的工程。例如，東風(fēng)牽引車(chē)減重1400公斤，其中結(jié)構(gòu)優(yōu)化占19%，功能配置優(yōu)化占40%，兩者共占59%，真正新材料新技術(shù)只占41%。把輕量化看成材料供應(yīng)問(wèn)題是我國(guó)從事逆向設(shè)計(jì)、仿制造成的結(jié)果，是當(dāng)前阻礙我國(guó)輕量化水平提高的主要技術(shù)瓶頸之一。

事實(shí)上，車(chē)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼材的強(qiáng)度都是決定安全的重要因素。工程師通過(guò)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)軟件可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)和校核汽車(chē)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，減少車(chē)身重量和鋼板厚度，使零部件中空化、小型化或復(fù)合化，確保整車(chē)的質(zhì)量和性能。要想在材料成本、輕量化、安全性能等多目標(biāo)中尋求最佳結(jié)合點(diǎn)，就需要多種材料組合的使用，而針對(duì)多材料組合必須合理設(shè)計(jì)安排使用各材料的最佳部位。

不同于普通汽車(chē)，高檔汽車(chē)采用空間框架的結(jié)構(gòu)，部件多為多功能的大型鑄件，大型整體結(jié)構(gòu)和高比例的鍛壓件，可以減少車(chē)身零件的數(shù)量，一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)使得整車(chē)輕量化的同時(shí)提升了安全性能。車(chē)輛的安全性主要體現(xiàn)在事故發(fā)生時(shí)對(duì)人員的保護(hù)，而不是以車(chē)的受損程度來(lái)衡量。重量大的車(chē)跟重量輕的車(chē)碰撞，重量大的車(chē)受損程度比較小，但是人員的受損程度跟吸能式車(chē)身設(shè)計(jì)以及主被動(dòng)安全配置有密切聯(lián)系。例如在某些車(chē)型上通過(guò)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以更好的將碰撞吸收的能量分散到強(qiáng)度很高的A柱和車(chē)身底部，提高乘客安全性的同時(shí)也降低了對(duì)對(duì)方車(chē)輛的攻擊性。

在汽車(chē)行業(yè)，大眾MQB輕量化平臺(tái)、奧迪塑料圓簧、ContiTech空氣彈簧、江森自控輕量化鋁鋼座椅框架等技術(shù)的應(yīng)用，都為車(chē)輛的輕量化作出了巨大貢獻(xiàn)。

不能輕視的話(huà)題

雖然近幾年輕量化技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但是面臨的問(wèn)題依然存在。在很多關(guān)鍵的位置，常常需要兩種甚至兩種以上的材料進(jìn)行拼焊，如果焊接強(qiáng)度不足，車(chē)身的整體強(qiáng)度會(huì)大打折扣。另外，在車(chē)輛的一些位置除了靠焊接來(lái)連接之外，還要加注結(jié)構(gòu)膠，以實(shí)現(xiàn)隔音、提高密封性或增加連接強(qiáng)度等目的。

據(jù)記者了解，我國(guó)汽車(chē)輕量化技術(shù)的研發(fā)面臨兩大困難：一方面，要打破輕量化技術(shù)的發(fā)展所涉及的眾多學(xué)科之間的壁壘，形成綜合性、系統(tǒng)性知識(shí)體系；另一方面，國(guó)家應(yīng)該發(fā)揮作用，做出戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署。事實(shí)也證明，盡管早在2008年，汽車(chē)輕量化產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟就已經(jīng)建立，但是在這一領(lǐng)域企業(yè)基本處于單打獨(dú)斗狀態(tài)。汽車(chē)企業(yè)對(duì)汽車(chē)輕量化關(guān)注度明顯不夠，尤其是國(guó)產(chǎn)品牌。如果持續(xù)下去，汽車(chē)企業(yè)將會(huì)失去一次技術(shù)跨越的絕好機(jī)會(huì)。而且，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)在實(shí)施“輕量化戰(zhàn)略”的同時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)偷工減料的行為，導(dǎo)致汽車(chē)安全性受到影響。

對(duì)于輕量化核心技術(shù)的學(xué)習(xí)和掌握，國(guó)內(nèi)一些車(chē)企有很長(zhǎng)的路要走。清華大學(xué)汽車(chē)系教授宋健向記者表示，汽車(chē)輕量化首先需要掌握汽車(chē)的核心技術(shù)，在此基礎(chǔ)上才能加以改進(jìn)。中國(guó)車(chē)企的一些零部件現(xiàn)在還需要外采，更不要提去減輕車(chē)輛的自重。而在記者看來(lái)，國(guó)內(nèi)一些汽車(chē)企業(yè)只能在車(chē)身整體結(jié)構(gòu)上“動(dòng)動(dòng)手腳”，顯然不能滿(mǎn)足真正的輕量化的技術(shù)要求。